DE3927157C1

DE3927157C1 - Pulse laser range finder - has mechanical-optical Q=switch resolving separate pulses or pulse series combining by collimating lens and reflector

Info

Publication number: DE3927157C1
Application number: DE19893927157
Authority: DE
Inventors: Richard Dr. Dr. 8011 Putzbrunn De Benedikter
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1989-08-17
Filing date: 1989-08-17
Publication date: 1990-12-06
Anticipated expiration: 2009-08-18

Abstract

Thee range finder employs a optical, high-quality switch for releasing pulse sequences or single pulses. The reflecting mirror (11) of the pulse laser (10) is rigidly mounted in its resonator and is self-focussing by a focussing lens (12). A movable slit shutter (14) is mounted as a light switch at the beam intersection (13) between the laser crystal )(10a) and the reflecting mirror. USE/ADVANTAGE - Improvement in accuracy of measurements. Suitable for use on military aircraft.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Pulslaser-Entfernungsmesser hoher Auflösung mit mechanisch-optischem Güteschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a pulse laser range finder high Resolution with mechanical-optical Q-switch according to Preamble of claim 1.

Aus der Literatur "Laser"-Grundlagen-Technik-Basisanwendungen - von Tradowsky, 4. Auflage, Seiten 96-99, ist es bekannt, Lichtimpulse mit hoher Flankensteilheit mittels aktiver elektrooptischer Güteschalter - sogenannte Q-Switch, wie Pockels-Zellen oder Kerr-Zellen - zu erhalten oder hierfür passive, rein optische Schwellschalter mit sättigbarem Absorber zu verwenden. Hierbei erfordern jedoch die aktiven Ausführungs formen einen sehr hohen Aufwand und Platzbedarf, insbesondere in bezug auf die komplizierte Ansteuerung mit Hochspannung. Deshalb ist man all gemein darauf übergegangen, passive Güteschalter einzusetzen. Diese gilt es aber nicht für alle interessierenden Wellenlängenbereiche, so bei spielsweise fehlen sie für bestimmte augensichere Bereiche um 1,5 µm. Tradowsky schlägt hierfür vor, Drehspiegel als Güteschalter zu verwen den. Nun sind aber die hierfür genannten Impuls-Anstiegszeiten sehr viel länger als erwünscht. Auch handelt es sich bei diesem Vorschlag um die Auslösung von Impulsfolgen, wobei die Auslösung von Einzelimpulsen zwar möglich ist, aber dann nur mit äußerst aufwendigen Synchronisationsmaß nahmen.From the literature "Laser" -Basic-technology-basic applications - by Tradowsky, 4th edition, pages 96-99, it is known to use light pulses high edge steepness using active electro-optical Q-switches - so-called Q-switch, such as Pockels cells or Kerr cells or passive, purely optical threshold switches with saturable To use absorber. However, this requires active execution form a very high effort and space requirement, especially in relation to the complicated control with high voltage. That's why you're all commonly referred to using passive Q-switches. This applies but not for all wavelength ranges of interest, so at for example, they are missing around 1.5 µm for certain eye-safe areas. Tradowsky suggests using rotary mirrors as a quality switch the. Now the pulse rise times mentioned for this are very much longer than desired. This proposal is also about Triggering of pulse sequences, although the triggering of individual pulses is possible, but then only with an extremely complex synchronization measure took.

Für Pulslaser-Entfernungsmesser hoher Auflösung mit mechanisch-optischem Güteschalter verwendet der Stand der Technik zur Ansteuerung des Funktionsablaufes einen ständig umlaufenden Drehspiegel. Hier ist zur Einleitung der Entladung der Pumplichtquelle ein Kontakt oder eine Lichtschranke in einer gegebenen Winkellage der Drehspiegel-Achse vorgesehen. Der bis zur strahlparallelen Lage weiterdrehende Drehspiegel bildet eine konstante Zeitverzögerung, welche zur vollen Ausbildung des Pumplichtblitzes und zum Pumpen ausreichen muß. Dies erfordert, daß die Winkellage des Schalters oder der Lichtschranke und die Drehzahl des Drehspiegels sehr genau auf die Blitzlampe abgestimmt werden müssen, um überhaupt den optimalen Bereich des Pumplichtblitzes auszunützen.For high-resolution pulse laser rangefinders with mechanical-optical The state of the art uses quality switches for control of the functional sequence a rotating rotating mirror. Here is a contact or a to initiate the discharge of the pump light source Light barrier in a given angular position of the rotating mirror axis intended. The rotating mirror that continues to rotate until it is parallel to the beam forms a constant time delay, which leads to the full formation of the Pump light flash and must be sufficient for pumping. This requires that the Angular position of the switch or light barrier and the speed of the Rotating mirror must be adjusted very precisely to the flash lamp to use the optimal range of the pump light flash at all.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser-Entfernungsmesser mit Güteschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine sehr schnelle Güteänderung des Resonators und auch die Verwendung extrem schnell ansprechender Blenden als Lichtschalter gewährleistet und außerdem eine erhöhte Meßgenauigkeit auch bei Laser-Entfernungsmesser erbringt, bei welchen elektro-optische Güteschalter und passive optische Güteschalter sonst nicht anwendbar sind.The invention has for its object a laser rangefinder to create with Q-switch of the type mentioned, which is a very rapid change in quality of the resonator and also extreme use quickly responding panels guaranteed as light switches and in addition, increased measuring accuracy even with laser rangefinders provides, in which electro-optical Q-switches and passive optical Q-switches are not otherwise applicable.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst.This object is achieved by the measures outlined in claim 1 solved.

In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert sowie in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigtRefinements and developments are in the subclaims are given and in the description below Exemplary embodiments explained and in the figures of the drawing outlined. It shows

Fig. 1 eine Schemaskizze einer Ausführungsform mit einer Sammellinse und einem konfokalen Hohlspiegel, Fig. 1 is a schematic diagram of an embodiment with a collecting lens and a confocal concave mirror,

Fig. 2 eine Schemaskizze einer Ausführungsform mit konfokalen Linsen und Planspiegel, Fig. 2 is a schematic diagram of an embodiment with confocal lenses and flat mirrors,

Fig. 3 eine Schemaskizze einer erweiterten Ausführungsform mit einer Sammellinse und einem konfokalen Hohlspiegel sowie mit einem Schnellverschluß, Fig. 3 is a schematic diagram of an expanded embodiment with a collecting lens and a confocal concave mirror and with a quick-release fastener,

Fig. 4 eine Schemaskizze einer erweiterten Ausführungsform mit einem schnellen Lichtschalter und Auslösung durch integrierten Pumplicht-Impuls. Fig. 4 is a schematic sketch of an extended embodiment with a fast light switch and triggering by integrated pump light pulse.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines mechanisch-optischen Güteschalters in einem Pulslaser-Entfernungsmesser, wobei es sich hier nicht nur um einen Einzelpulslaser sondern auch um einen Mehrfach-Impulslaser handeln kann. Vorweg sei in dieser Beziehung darauf hingewiesen, daß im letzten Falle - also bei Verwendung eines Mehrfach-Impulslasers - die dargestellte rotierende Schlitzblende 14 mehrere radiale Schlitze 14a aufweist. Zum kontinuierlichen Antrieb der Schlitzblende 14 ist ein Aufzugsmotor 18 angeordnet, der beispielsweise mit einer Speicherfeder 18a kombiniert ist. In dem skizzierten Ausführungsbeispiel ist die Rotationswelle des Aufzugsmotors 18 mit einem Auslösemechanismus 100 versehen. Der Reflektorspiegel 11 des Lasers 10 ist in dessen Resonator stationär angeordnet und selbstfokussierend ausgebildet, d. h. er ist als Hohlspiegel 11a oder als Planspiegel 11b mit vorgeschalteter Sammellinse 11c (Fig. 2) konzipiert. Dadurch wird erreicht, daß von einem Punkt ausgehende Strahlen wieder in diesen Punkt reflektiert werden. Fig. 1 shows an embodiment of a mechanical-optical Q-switch in a pulse laser range finder, which can be not only a single pulse laser but also a multiple pulse laser. First of all, it should be noted in this regard that in the latter case - ie when using a multiple pulse laser - the rotating slit diaphragm 14 shown has a plurality of radial slits 14 a. For the continuous drive of the slit diaphragm 14 , an elevator motor 18 is arranged, which is combined, for example, with a storage spring 18 a. In the exemplary embodiment outlined, the rotation shaft of the elevator motor 18 is provided with a trigger mechanism 100 . The reflector mirror 11 of the laser 10 is arranged stationary in its resonator and is self-focusing, ie it is designed as a concave mirror 11 a or as a plane mirror 11 b with an upstream converging lens 11 c ( FIG. 2). This ensures that rays emanating from a point are reflected back into this point.

Zwischen dem Laserkristall 10a und dem Reflektorspiegel 11 ist eine Fokussierlinse 12 angeordnet, welche den Parallelstrahl des Laserkristalls 10a auf den symmetrischen Strahlungs-Schnittpunkt des Reflektors konzentriert. Untersuchungen haben ergeben, daß eine Punktfokussierung realisierbar ist, wobei eine asphärische Formgebung der brechenden Flächen sich als besonders vorteilhaft erweist, weil sie eine einfache Korrektur der Zonenfehler ermöglicht. Eine chromatische Korrektur ist hier nicht erforderlich, da der Laser bekanntlich eine monochrome Strahlung abgibt.A focusing lens 12 is arranged between the laser crystal 10 a and the reflector mirror 11 , which concentrates the parallel beam of the laser crystal 10 a on the symmetrical radiation intersection of the reflector. Studies have shown that point focussing is feasible, an aspherical shape of the refractive surfaces proving to be particularly advantageous because it enables simple correction of the zone errors. A chromatic correction is not necessary here, as is known that the laser emits monochrome radiation.

In dem so erzeugten gemeinsamen Strahlungsschnittpunkt 13 wird nun eine rotierende Schlitzblende 14 angeordnet, die den ganzen Strahl in sehr kurzer Zeit freigeben kann, was eine hohe Entfernungsauflösung gewährleistet. Durch diese Konzipierung wird es ermöglicht, anstelle eines frei umlaufenden Spiegels mit seiner sehr schwierigen Synchronisierung eine nur einmal durchlaufende bzw. umlaufende Schlitzblende zu verwenden, deren Synchronisierung leicht zu bewerkstelligen ist, beispielsweise in der Art, wie sie bei den Blitzsynchronisationseinrichtungen von Fotokameras vorgefunden werden. Hier kann auch die Technik des Verschlußaufzugs entnommen werden.A rotating slit diaphragm 14 , which can release the entire beam in a very short time, is now arranged in the common radiation intersection 13 thus generated, which ensures a high range resolution. This design makes it possible to use a slot diaphragm that runs through or revolves only once instead of a freely rotating mirror with its very difficult synchronization, the synchronization of which is easy to achieve, for example in the manner found in the flash synchronization devices of photo cameras. Here you can also see the technology of the closure elevator.

Die vorbeschriebene Bündelung des Strahlenganges auf einen Punkt innerhalb des Laser-Resonators erlaubt nicht nur eine sehr schnelle Güteänderung des Resonators, sondern auch die Verwendung extrem schnell ansprechender Lichtschalter, weil es sich hier um sehr kleine und massearme Blenden handelt. Ein solcher Lichtschalter ermöglicht weiterhin eine viel vorteilhaftere Reihenfolge der Ansteuerung des Funktionsablaufes als alle bisher bekannten Ausführungsformen, die mit einem ständig umlaufenden Drehspiegel operieren.The above-described bundling of the beam path on one point inside the laser resonator not only allows a very fast Quality change of the resonator, but also the use extremely quickly appealing light switch because it is very small and low-mass panels. Such a light switch enables continue a much more advantageous order of driving the Functional sequence than all previously known embodiments with operate a rotating rotating mirror.

Wie bereits ausgeführt, ist die Schlitzblende je nach der zutreffenden Impulsart - also Einzelimpuls oder Impulsfolgen - mit einem oder mehreren radialen Schlitzen versehen. Hierbei wird eine Schlitzbreite im Bereich von 10 µm vorgeschlagen. Beim Mehrfachimpuls-Laser mit kontinuierlich angetriebener Schlitzblende 14 bzw. 24 mit ihren mehreren Schlitzen ergibt sich der Vorteil, daß das Signal/Rauschverhältnis um einen Faktor verbessert ist, der der Quadratwurzel aus der Impulszahl entspricht. Dazu genügt es, ein einziges Zeittor jeweils mit den Vorderkanten der ausgesandten Impulse zu öffnen und mit den Vorderkanten der empfangenen Impulse zu schließen, und hierzu die in die Öffnungszeiten fallenden Taktimpulse fortlaufend zu zählen oder aufzusummieren. Ist die Zahl der Sendeimpulse je Pumplichtblitz variabel, so ist die Summe der Taktimpulse noch durch diese Zahl zu dividieren. Durch den entsprechend beschriebenen Güteschalter kann die Energie des Pumplicht-Impulses aus der Blitzlampe viel besser genutzt werden, als mit einem Einzelimpuls des Lasers.As already stated, the slit diaphragm is provided with one or more radial slits, depending on the pulse type that applies - i.e. single pulse or pulse train. A slot width in the range of 10 µm is proposed. In the case of a multi-pulse laser with a continuously driven slit diaphragm 14 or 24 with its multiple slits, there is the advantage that the signal / noise ratio is improved by a factor which corresponds to the square root of the number of pulses. To do this, it is sufficient to open a single time gate with the leading edges of the transmitted pulses and to close them with the leading edges of the received pulses, and to continuously count or add up the clock pulses falling in the opening hours. If the number of transmission pulses per pump light flash is variable, the sum of the clock pulses must be divided by this number. Due to the quality switch described accordingly, the energy of the pump light pulse from the flash lamp can be used much better than with a single pulse from the laser.

Bei zehn Impulsen je Blitz ergibt sich immerhin ein etwa um den Faktor 3 besseres Signal/Rauschverhältnis.At least ten pulses per flash result in a factor of around three better signal / noise ratio.

Durch so einen sehr schnell ansprechenden Güteschalter kann der Pumplichtblitz direkt ausgelöst werden und darauf nach einer sehr geringen Zeitverzögerung der schnelle Güteschalter selbst. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in der Fig. 3 skizziert. Eine Spannungsquelle 15 mit Schalter 15a zündet die Pumplicht-Blitzlampe 10b in deren Stromkreis zum Güteschalter, der als Schnellverschluß 100a mit Betätigungseinrichtung 24b und Schlitzblende 24 konzipiert ist, eine Zeitverzögerungseinrichtung 16 liegt, die diesen Güteschalter nach einer sehr kurzen Zeitverzögerung aktiviert.The pump light flash can be triggered directly by such a very quickly responding Q switch and then the fast Q switch itself after a very short time delay. An exemplary embodiment of this is sketched in FIG. 3. A voltage source 15 with switch 15 a ignites the pump light flash lamp 10 b in its circuit to the Q-switch, which is designed as a quick release 100 a with actuating device 24 b and slit diaphragm 24 , a time delay device 16 , which activates this Q-switch after a very short time delay.

In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel skizziert, bei dem der Güteschalter durch eine Photozelle 17 mit nachgeschaltetem Integrator genau dann ausgelöst wird, wenn die von der Pumplichtquelle 10b an den Laser 10 abgegebene Lichtenergie für den Riesenimpuls des Lasers ausreicht. Eine Voraussetzung für diese Funktionsweise ist neben der Konzentration des Strahlenganges auf einen Punkt innerhalb des Resonators auch noch die Verfügbarkeit eines sehr schnellen Güte- bzw. Lichtschalters, wie er durch die vorliegende Konzeption gegeben ist, der dafür aber auch eine sehr kleine Abdeckfläche haben darf, also als Miniaturblende anzusprechen ist.In FIG. 4, a further embodiment is sketched in which the Q-switch is exactly triggered by a photocell 17 with a downstream integrator, when the b from the pumping light source 10 to the laser 10 emitted light energy to the giant pulse of the laser is sufficient. A prerequisite for this mode of operation is, in addition to the concentration of the beam path at a point within the resonator, the availability of a very fast quality or light switch, as is provided by the present concept, which, however, may also have a very small covering area, is to be addressed as a miniature panel.

Für den erfindungsgemäßen Pulslaser-Entfernungsmesser läßt sich ein noch schnellerer Güteschalter verwenden, der als Lichtunterbrecher aus einer sehr engen mit opaker oder spiegelnder Flüssigkeit gefüllten Küvette besteht, die mit Elektroden an der engsten Stelle des konzentrierten Strahlenganges versehen ist. Hierbei bildet ein schneller Stromstoß über die Elektroden eine transparente Dampfblase, die nach kurzer Zeit wieder zusammenfällt. Diese Art eines Unterbrechers wird durch den sehr engen Strahlquerschnitt an der Unterbrechungsstelle ermöglicht.For the pulse laser rangefinder according to the invention one can still Use a faster Q-switch that works as a light interrupter very narrow cuvette filled with opaque or reflecting liquid consists of electrodes with electrodes at the narrowest point of the concentrated Beam path is provided. Here, a rapid current surge forms the electrodes a transparent vapor bubble, which comes back after a short time coincides. This type of breaker is due to the very narrow Beam cross-section enabled at the point of interruption.

Claims

1. High-resolution pulse laser rangefinder with mechanical-optical Q-switch for triggering pulse sequences or individual pulses, characterized in that the reflector mirror ( 11 ) of the pulse laser ( 10 ) is arranged stationary in its resonator and is self-focusing by means of a focusing lens ( 12 ) and im Beam intersection ( 13 ) between laser crystal ( 10 a) and reflector mirror ( 11 ) a moving slit diaphragm ( 14 ) is arranged as a light switch.

2. Pulse laser rangefinder according to claim 1, characterized characterized in that the reflector mirror (11) as confocal Concave mirror (11a) is trained, the Focusing lens (12th) in one certain distance between it (11a) and the laser crystal (10tha) assigned.

3. pulse laser rangefinder according to claim 1, characterized in that the reflector mirror ( 11 ) as a fully reflecting plane mirror ( 11 b) with an upstream converging lens ( 11 c) is formed, which at a certain distance between the latter and the laser crystal ( 10 a) Focusing lens ( 12 ) is assigned.

4. pulse laser rangefinder according to one of claims 1 to 3, characterized in that for the triggering of pulse sequences, the moving slit diaphragm ( 14 ) is designed as a rotating slotted disc with a plurality of radial slots ( 14 a), with a single time gate of the switching electronics each with the leading edges of the transmitted pulses are opened and closed with the leading edges of the received pulses and the pulses falling in the opening hours are counted or added up continuously.

5. Pulse laser rangefinder according to one of claims 1 to 4, characterized in that the refractive surfaces of the focusing lens ( 12 ) are aspherical.

6. Pulse laser rangefinder according to one of claims 1 to 5, characterized in that the slit diaphragm is designed as a slot lock ( 24 ) with light flash synchronization ( 24 b) running through only once.

7. pulse laser rangefinder according to one of claims 1 to 6, characterized in that the slot width in the slot diaphragm ( 14, 24 ) is in the range of 10 microns.

8. pulse laser rangefinder according to one of claims 1 to 7, characterized in that the pump light source ( 10 b) for direct triggering of the light flash, a voltage source ( 15 ) with switch ( 15 a) and for actuating the trigger mechanism ( 100 ) or the quick release ( 100 a) a time delay device ( 16 ) is assigned.

9. pulse laser rangefinder according to one of claims 1 to 8, characterized in that the quick release ( 100 a) for triggering a unit ( 17 ) consisting of a photodiode with a downstream integrator is assigned.

10. Pulse laser rangefinder according to one of claims 1 to 9, characterized in that a very narrow cuvette filled with opaque or reflecting liquid with electrodes at the narrowest point of the concentrated beam path is used as the quick release ( 100 a).